Наводнения подогрели интерес почвенных микроорганизмов к мертвой органике

В каких бы климатических зонах ни находились почвы, их микробиом будет реагировать на экстремальные события схожим образом: при наводнениях станут преобладать копиотрофные микробные стратегии с опорой на мертвое органическое вещество, а при засухах и заморозках — олиготрофные с уходом в состояние покоя. При этом самым опасным событием для почвенного биома оказались волны жары, которые снижают численность даже самых устойчивых к стрессу микроорганизмов. Статья опубликована в журнале Nature.

Изменение климата приводит к возникновению все более частых и разрушительных экстремальных событий — ураганов, засух, наводнений, волн жары и холода. Они напрямую угрожают экосистемам суши, поскольку даже кратковременное изменений условий отражается на ключевых биогеохимических процессах. В биосфере одну из главных ролей в управлении такими процессами играют почвенные микроорганизмы, которые формируют циклы и пулы углерода, азота, серы и других биофильных элементов. Понимание реакции микроорганизмов на стресс — одна из главных экологических задач в свете климатический изменений.

Ученые из 10 стран, в том числе из России, во главе с Кристофером Найтом (Christopher Knight) из Университета Род-Айленд исследовали отклик почвенных микробных сообществ на экстремальные события. Они отобрали образцы почв в различных климатических зонах и подвергли их воздействию засух, затопления, волн жары (нагрев до 35 градусов Цельсия) и холода (охлаждение до −20 градусов Цельсия) в лаборатории. После в образцах измерялись химические свойства, выбросы парниковых газов, ферментативная активность и таксономический состав грибов и прокариот.

В почвах из арктической, субарктической, бореальной, альпийской, степной, атлантической, средиземноморской и континентальной зон реакция микробиомов на экстремальные события оказалась схожей. В условиях наводнений преобладали копиотрофные микробные стратегии — высокие темпы роста при изобилии ресурсов, вовлечение в метаболизм лабильного органического углерода (например, мертвая органика или экскременты). Преимущество здесь было у носителей генов, ответственных за метаболизм азота, калия, ароматических соединений и серы. В сухих и жарких условиях развивались олиготрофные микробные стратегии — начали преобладать организмы, гены которых вовлечены в спорообразование, переход в состояние покоя, метаболизм углеводов, фосфора и белка, деление клеток и клеточный цикл.

Авторы оценили филогенетический консерватизм в сообществах, то есть способность близкородственных организмов схожим образом реагировать на стресс. Филогенетический консерватизм оказался высоким для реакции на наводнения и волны жары и низким для заморозков и засух. Это говорит о том, что реакцию почвенного микробиома на волны жары и наводнения предсказывать будет проще. Самым опасным экстремальным событием с точки зрения воздействия на почвенную микробиоту ученые назвали резкое потепление. При нем в почве сильнее всего снижалась численность грибковых и прокариотических вариантов последовательностей ампликонов, соответствующих высокой устойчивости к экстремальным условиям, то есть становилось меньше даже самых устойчивых микроорганизмов. При этом грибы хуже переносили жару, и баланс смещался в сторону бактерий.

На состав почвенного микробиома влияют не только экстремальные метеорологические явления, но и практики землепользования. Так, недавно ученые обнаружили, что при добавлении органических удобрений и пробиотиков можно существенно снизить обилие патогенных для человека и животных бактерий в ризосфере и сократить риски распространения опасных инфекций.